陳昊陽 王翀

創(chuàng)傷性顱腦損傷（traumatic brain injury，TBI）是指由于顱腦受到外部暴力時導(dǎo)致大腦病理生理學(xué)的改變，進(jìn)而引起大腦功能受損。TBI 的病理生理機(jī)制復(fù)雜，涉及細(xì)胞和分子水平的各種變化，是原發(fā)性損傷和繼發(fā)性損傷兩個階段的級聯(lián)反應(yīng)。TBI 的原發(fā)性損傷主要發(fā)生在撞擊的瞬間，外部的沖擊會導(dǎo)致細(xì)胞完整性的破壞，軸突應(yīng)力剪切損傷，組織變形、挫傷，血腦屏障破壞等物理性損傷。而受損神經(jīng)元釋放的谷氨酸會導(dǎo)致繼發(fā)性損傷級聯(lián)反應(yīng)，使細(xì)胞內(nèi)線粒體功能障礙，氧化應(yīng)激反應(yīng)失衡，促炎因子增加，最終導(dǎo)致神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞功能障礙、細(xì)胞凋亡、血腦屏障通透性改變、腦水腫、腦灌注減少等一系列繼發(fā)性損傷，患者往往預(yù)后不良[1-3]。TBI 患者即使痊愈后也有可能出現(xiàn)認(rèn)知和感覺運(yùn)動障礙，如記憶減退、精細(xì)運(yùn)動協(xié)調(diào)困難等，因此TBI 又被稱為“沉默的流行病”[4-5]。在全球范圍內(nèi)，每年有超過1000 萬人因TBI 住院治療，世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）預(yù)測，到2020 年，TBI 將成為導(dǎo)致死亡和殘疾的主要原因之一[6]。TBI 的損傷涉及多種病理生理機(jī)制共同參與，但這也為積極干預(yù)TBI 繼發(fā)性損傷、進(jìn)一步改善患者預(yù)后提供了可能。若能早期對TBI 患者采取有效的治療，將更大程度地改善其預(yù)后及生活質(zhì)量。蝦青素（astaxanthin，ATX）是一種天然的葉黃素類胡蘿卜素，其抗氧化活性是β-胡蘿卜素的10 倍，是維生素E 的100 倍，被稱為“超級抗氧化劑”[7]。許多研究顯示ATX 具有對抗中樞神經(jīng)系統(tǒng)急慢性損傷、保護(hù)神經(jīng)、抗凋亡、改善灌注等多種生物學(xué)活性[8-10]。本文就ATX 的生物特性及其近年來在TBI 的保護(hù)作用機(jī)制等研究現(xiàn)狀及進(jìn)展綜述如下。

一、蝦青素的概述

（一）蝦青素的來源

ATX 是一種與葉黃素、β-胡蘿卜素同種的類胡蘿卜素，動物不能主動合成ATX，只能通過食物攝取。某些酵母菌、細(xì)菌（金農(nóng)桿菌）及植物可以從頭合成ATX，并通過食物鏈的傳遞作用富集于甲殼綱目類動物（磷蝦、龍蝦、蟹類及貝類），鮭魚目（如虹鱒魚、鮭魚）及鳥類羽毛中。雨生紅球藻在高鹽、高溫或輻射環(huán)境下可合成大量ATX，是天然ATX 的最佳來源之一[11]。

（二）蝦青素的化學(xué)特性

ATX的化學(xué)式為3,3'-二 羥 基-4,4'-二酮-β,β'-胡蘿卜素，分子式為C40H52O4，相對摩爾質(zhì)量為596.84 g/mol，屬于不飽和萜烯類化合物[11]。ATX 包含兩個由共軛雙鍵連接的含氧β-紫羅蘭酮環(huán)，使得ATX 可以通過提供電子與自由基反應(yīng)，終止自由基在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的連鎖反應(yīng)，從而產(chǎn)生抗氧化作用[12]。紫羅蘭酮環(huán)末端的羥基和酮基是其擁有較高的抗氧化活性的原因。ATX 具有兩個手性中心，分子末端的羥基使其能夠酯化脂肪酸形成單酯或雙酯。天然ATX 主要以酯化形式存在，而化學(xué)合成的ATX 主要為游離形式，ATX 有（3S-3'S）、（3R-3'S）、（3R-3'R）3 種立體異構(gòu)體（圖1）[13]。酵母菌或化工合成的ATX 為3 種異構(gòu)體的混合物，比例約為1∶2∶1。雨生紅球藻則主要合成3S-3'S 異構(gòu)體，具有最強(qiáng)的生物活性，是目前研究的主要方向[14-15]。

（三）蝦青素的生物利用度及安全性

ATX 見光易分解，且水溶性較差，直接口服的生物利用度較低。ATX 的親脂性使得其在油性溶劑如食用油、丙酮、玉米油中有較好的利用度，并可通過血腦屏障[16]。食用油中的脂肪酸、膽固醇可以與ATX 結(jié)合形成酯化物，有利于其吸收利用。ATX 可與膽汁酸或脂肪酶結(jié)合，通過跨細(xì)胞膜擴(kuò)散作用轉(zhuǎn)移到小腸上皮細(xì)胞，由脂肪分子直接運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的器官或組織發(fā)揮作用。未酯化的ATX 被結(jié)合到乳糜微粒中，并通過淋巴系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)到肝臟后與低密度脂蛋白、高密度脂蛋白結(jié)合，再轉(zhuǎn)運(yùn)到相應(yīng)的靶器官中發(fā)揮生物活性[17-18]。多項(xiàng)研究證明ATX 無急慢性毒副作用[19-20]。Kidd[21]研究證實(shí)ATX 在致畸性、胚胎毒性、生殖毒性等方面的安全性。1999 年，美國食品藥品監(jiān)督管理局將天然的ATX 批準(zhǔn)作為膳食補(bǔ)充劑，推薦劑量為2～12 mg/d，建議連續(xù)應(yīng)用不超過30 d。

圖1 蝦青素的立體異構(gòu)體

二、蝦青素在顱腦損傷中的保護(hù)作用

（一）蝦青素的抗氧化損傷作用

TBI 可導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放，使1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶（1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP）生成1-甲基-4-苯基吡啶離子（1-methyl-4-phenylpyridiniumion，MPP+），抑制線粒體復(fù)合酶，破壞線粒體膜電位。而ROS、超氧陰離子自由基（O2-）和過氧化氫（H2O2）過度產(chǎn)生并與Fe2+反應(yīng)生成羥基自由基（OH-）導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)激活，擾亂細(xì)胞功能并導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[22]。

ATX 可以通過多種機(jī)制起到防御氧化損傷的作用，包括淬滅單線態(tài)氧、清除自由基、抑制脂質(zhì)過氧化以及調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激相關(guān)基因的表達(dá)等[22-23]。ATX 在體內(nèi)體外研究中均可對抗MPTP/MPP+誘導(dǎo)的線粒體功能障礙[24]。Augusti 等[25]在家兔食糧中添加ATX 后，測定血清抗氧化酶活性，結(jié)果顯示ATX可以維持家兔體內(nèi)的超氧化物歧化酶、硫氧還蛋白還原酶和對氧磷酶的活性，改善氧化應(yīng)激損傷。Saw 等[26]報道ATX 可以清除HepG2-C8-ARE-熒光素酶細(xì)胞中的氧自由基，且比多不飽和脂肪酸、二十二碳六烯酸和二十碳五烯酸抗氧化作用更加有效且安全，ATX 可提高細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽的水平，增加抗氧化活性，還能上調(diào)核因子E2 相關(guān)因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）和受Nrf2 調(diào)控的NAD（P）H醌氧化還原酶1 [NAD（P）H:quinone oxidoreductase 1，NQO1]、血紅素氧合酶-1（hemeoxygenase-1，HO-1）和谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶2 的mRNA 轉(zhuǎn)錄表達(dá)，對抗ROS 引起的氧化損傷。也有學(xué)者認(rèn)為ATX 通過激活酸肌醇-3 激酶和細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶，進(jìn)而上調(diào)Nrf2 信號通路，促進(jìn)Nrf2 從KEAP1 的解離，上調(diào)Nrf2 的核轉(zhuǎn)位和DNA 結(jié)合活性，從而增強(qiáng)NQO1、HO-1和谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶1 的活性對抗神經(jīng)系統(tǒng)的氧化損傷[27]。該研究通過給予TBI 小鼠模型ATX 治療，24 h 后相關(guān)數(shù)據(jù)顯示實(shí)驗(yàn)組小鼠大腦的氧化應(yīng)激損傷、腦水腫、血腦屏障破壞及細(xì)胞凋亡水平均較對照組有明顯下降。

（二）蝦青素的抗炎作用

炎癥反應(yīng)是機(jī)體受到損傷時產(chǎn)生的保護(hù)機(jī)制，可啟動組織修復(fù)功能，清除損傷組織，但是過度的炎癥反應(yīng)會導(dǎo)致機(jī)體細(xì)胞和組織的損傷。ATX 可通過調(diào)節(jié)小鼠神經(jīng)前體細(xì)胞p38 蛋白和MEK 信號通路，維持線粒體完整性，減少線粒體釋放細(xì)胞色素C，抑制Caspase-3 蛋白活化和H2O2介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)[28]。在Balietti 等[29]的研究中報道了ATX 可以通過下調(diào)小鼠腦組織及海馬內(nèi)白細(xì)胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）、IL-10 及腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α），發(fā)揮抗炎作用。在Zhang 等[30]的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)ATX 可以減少中性粒細(xì)胞浸潤，并可通過mRNA 在轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)合成中下調(diào)核因子-kappa B（nuclear factor kappa-B，NF-κB）通路的活性，減少髓過氧化物酶、炎性細(xì)胞因子IL-1β、TNF-α 和細(xì)胞間黏附分子-1 的持續(xù)表達(dá)顯著減輕大腦炎癥。Wen 等[31]研究發(fā)現(xiàn)ATX 可以通過低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白-1 下調(diào)JNK、NF-κB信號通路逆轉(zhuǎn)脂多糖誘導(dǎo)的BV2 小膠質(zhì)細(xì)胞極化，降低p-IKKα、p-IκBα 和p-p65 的水平。ATX 促進(jìn)BV2 細(xì)胞M2 極化的同時抑制M1 活化，促使其從M1 表型向M2 表型分化，提高抗炎介質(zhì)并下調(diào)炎癥介質(zhì)的表達(dá)發(fā)揮抗炎作用。

上述研究表明ATX 無論在體內(nèi)還是體外模型中均可在蛋白質(zhì)及mRNA 水平持續(xù)抑制炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生，減少炎性細(xì)胞的浸潤，表現(xiàn)出良好的抗炎作用。

（三）蝦青素減輕腦水腫及抗凋亡作用

Na+-K+-2Cl-共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（Na+-K+-2Cl--cotransporter 1，NKCC1）與水通道蛋白4（aquaporin 4，AQP4）是室管膜細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的主要亞型，與TBI 誘導(dǎo)的腦水腫有關(guān)[32-33]。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)ATX 可以抑制NKCC1 mRNA 的轉(zhuǎn)錄，通過抑制NKCC1 的活化，下調(diào)AQP4 表達(dá)水平來減輕TBI 后細(xì)胞毒性水腫和血管源性水腫，改善TBI 后腦水腫的程度[34]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)ATX 還可誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)NF-κB 通路的表達(dá)，上調(diào)Bcl-2 基因表達(dá)，降低促凋亡因子Bax 基因表達(dá)，抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中Ca2+的異常釋放，減少Ca2+的消耗[35]。Bcl-2 和Bax 的平衡對于細(xì)胞內(nèi)環(huán)境平衡起重要作用，ATX 通過上述機(jī)制進(jìn)而抑制NKCC1 的表達(dá)，減輕星形膠質(zhì)細(xì)胞、室管膜細(xì)胞的凋亡。ATX 可通過MEK 信號通路提高P-Akt、P-MEK 的活化水平并抑制P-GSK3b 等促凋亡蛋白表達(dá)，減少乳酸脫氫酶的釋放以及Caspase-3 的活性來恢復(fù)線粒體的膜電位，抑制H2O2介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[28]。Ji 等[10]通過口服途徑給予TBI 小鼠模型ATX，發(fā)現(xiàn)ATX 可通過恢復(fù)大腦皮層中的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子、生長相關(guān)蛋白43、突觸蛋白和突觸素的表達(dá)水平，減少大腦皮層損傷面積及神經(jīng)元損傷程度，提高神經(jīng)元的存活率，促進(jìn)小鼠認(rèn)知功能的恢復(fù)；與對照組相比，治療組小鼠的神經(jīng)系統(tǒng)嚴(yán)重程度評分及感覺運(yùn)動表現(xiàn)評分均有明顯改善。

（四）神經(jīng)保護(hù)作用

有研究報道TBI 患者在其晚年更容易患上阿爾茨海默病和帕金森病等神經(jīng)退行性疾病[36-38]。ATX 可降低紅細(xì)胞中磷脂氫過 氧化物（phospholipid hydroperoxides，PLOOH）的異常累積，PLOOH 是磷脂的主要氧化物，在紅細(xì)胞中過量累積會導(dǎo)致紅細(xì)胞向大腦供氧減少。Nakagawa 等[39]研究發(fā)現(xiàn)ATX治療后試驗(yàn)組人群紅細(xì)胞中PLOOH 水平較對照組有明顯下降，表明ATX 可以改善紅細(xì)胞抗氧化狀態(tài)，有助于預(yù)防癡呆。ATX 具有良好的血腦屏障通透性，對神經(jīng)系統(tǒng)表現(xiàn)出潛在的保護(hù)性。認(rèn)知功能受損是TBI 患者常見癥狀，近年來，許多體內(nèi)外模型的研究顯示ATX 可減輕認(rèn)知障礙[9,40]。最近的一項(xiàng)研究表明，在大鼠飲食中添加ATX 后，可在海馬和大腦皮層積聚，影響認(rèn)知功能的維持和改善，ATX 通過降低細(xì)胞內(nèi)ROS 水平，增加HO-1 的表達(dá)，從而降低MPP+以及PC12 細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞毒性[41]。ATX 可以抑制乳酸脫氫酶釋放，增加Bcl-2 的表達(dá)、抑制Caspase-3/8/9 的活性并裂解PARP，抑制細(xì)胞內(nèi)ROS 的積累。ATX 還可增加抗氧化反應(yīng)元件（antioxidant-responsive element，ARE）的活性，啟動Nrf2 轉(zhuǎn)位，增加HO-1 表達(dá)，保護(hù)HT22 細(xì)胞，減少細(xì)胞毒性物質(zhì)釋放發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[42-43]。

目前的研究結(jié)果表明，TBI 后應(yīng)用ATX 能夠減輕TBI 引起的感覺運(yùn)動和認(rèn)知功能缺陷。ATX 通過模擬神經(jīng)營養(yǎng)因子和促進(jìn)突觸存活等機(jī)制減少大腦皮層損傷面積、神經(jīng)元細(xì)胞凋亡與腦皮層神經(jīng)變性，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。

三、展望

TBI 是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)急癥，具有較高的致殘率、死亡率，TBI 后的腦水腫、炎癥浸潤、血腦屏障破壞、細(xì)胞凋亡等多種繼發(fā)性損傷常常嚴(yán)重?fù)p害神經(jīng)系統(tǒng)功能，是導(dǎo)致患者預(yù)后不佳的重要原因。近年來許多研究證明ATX 在中樞系統(tǒng)急慢性疾病均可通過發(fā)揮多種保護(hù)機(jī)制對抗神經(jīng)系統(tǒng)損傷。ATX 具有良好的安全性，并且能夠通過血腦屏障，而且具有強(qiáng)大的對抗氧化應(yīng)激、抗炎、抗細(xì)胞凋亡、減輕腦水腫的作用，在治療TBI 的原發(fā)性及繼發(fā)性腦損傷方面有著良好的作用。多項(xiàng)體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)證明服用ATX 后，TBI 繼發(fā)性腦損傷級聯(lián)反應(yīng)、神經(jīng)元變性、血腦屏障破壞、腦水腫和神經(jīng)功能障礙等方面均得到改善，并且可改善動物的認(rèn)知、感覺及運(yùn)動功能，提高神經(jīng)系統(tǒng)敏感性（表1）。這為ATX 未來應(yīng)用于TBI的臨床試驗(yàn)提供了依據(jù)。但由于ATX 的水溶制劑生物利用度較低且易氧化的特點(diǎn)，將ATX 劑整合為其他形式制劑，克服ATX 的穩(wěn)定性、溶解度等方面的缺陷，以提高ATX 的生物利用度將是繼續(xù)研究的重點(diǎn)，并且需要進(jìn)一步進(jìn)行ATX 的最佳給藥途徑及其治療時間窗、最佳治療劑量等方面的相關(guān)研究。

表1 蝦青素對創(chuàng)傷性顱腦損傷保護(hù)作用總結(jié)

綜上所述，ATX 可通過多種機(jī)制對抗TBI 繼發(fā)性損傷，有望成為治療TBI 繼發(fā)性損傷的理想藥劑。目前ATX 仍有一些作用機(jī)制尚不完全清楚，需要進(jìn)一步研究ATX 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中所涉及的精確的病理生理途徑及作用機(jī)制是下一步的研究方向，也為將來ATX 在TBI 的臨床應(yīng)用提供更多的理論和實(shí)踐依據(jù)。